Køge opstod, hvor Køge Å løber ud i Øresund og øst for den tidligere landsby Gammel Køge. Byen kan være opstået tidligere, men bebyggelsen fra 1280’erne er den tidligste, der er fundet og undersøgt på stedet. De væsentligste ændringer i løbet af middelalderen var dels flytningen af havnen fra Køge Å ud til kysten omkring 1411, dels oprettelsen af de første kirkelige institutioner ud over sognekirken: Sankt Gertruds Kapel i 1394, Gråbrødreklosteret i 1484 og et Hellig Kors Kapel i 1496, der endnu ikke er fundet.
Byen blev formodentlig anlagt af kongemagten. De ældst kendte købstadsprivilegier stammer fra 1288, givet under kong Erik Menved; senere fulgte udvidede privilegier. Den blev anlagt efter tysk forbillede med centrum omkring byens store torv, det største provinstorv i Danmark, mens kirken blev placeret lidt væk fra centrum. Byen var til dels omkranset af en vold med palisader. Køge blev i senmiddelalderen en ganske velstående handels- og søfartsby; den imponerende kirke fra denne tid vidner herom. Købmandsgårde blev opført på centrale steder i byen, bl.a. rundt om torvet.
I udgravninger af Sankt Gertruds Kapel blev fundamentet af en nedlagt ca. 35 x 10,5 m stor gotisk kirke, som formodentlig var større end sognekirken, samt forskellige andre bygninger, brolagte veje og en del af kirkegården fundet ud af et areal på i alt 840 m2. Udgravningerne viste, at den daværende kirke blev udvidet flere gange i begyndelsen af 1400-tallet.
Havnen på Køge Å er undersøgt i udgravninger af op til syv successive udflytninger af bolværk på åens nordside. Bolværksfaserne dateres af fund af genstande i det affald, der udgjorde fyldmaterialet mellem bolværkerne. Den sidste udskiftning fandt sted i 1500-tallet, dvs. mindst 100 år efter at den nye havn ved kysten var etableret.
I den nye havns nordkaj er der også undersøgt flere faser af bolværk. Tømmeret i den ældste fase er årringsdateret til 1405‑07, altså lige før havnen blev flyttet til kysten. I den anden og tredje fase var anvendt en del genbrugstømmer fældet i 1500- og 1600-tallet, mens den yngste fase stammer fra en udvidelse af havnen foretaget i 1809‑10.
I slutningen af 1500- og begyndelsen af 1600-tallet nød Køge godt af at være udskibningssted for korn til især Holland, og den øvrige handel og håndværk blomstrede. I 1552-67 opførtes det nuværende Køge Rådhus, som dermed er det ældste endnu fungerende rådhus i landet. Efter en stor brand i 1633 blev byen hurtigt genopbygget, men fra ca. 1640 var Køges storhedstid forbi. Danmark var fra midten af 1600-tallet blevet udkonkurreret som korneksportør, og denne udvikling ramte også Køge. I 1652 og igen i 1654 blev byen ramt af epidemier, og svenskerne besatte og hærgede byen 1658‑60. Også i 1700-tallet blev Køge ramt af pest, og ifølge en opgørelse fra 1753 havde byen 1.434 indbyggere efter et formodentlig jævnt fald i befolkningstallet siden ca. 1650.
Først omkring år 1800 begyndte byen at vokse igen fra 1.366 indbyggere i 1787 til 2.249 i 1845. Havnen, der var sandet til fra 1600-tallet, blev forbedret i årene 1799‑1807, molerne blev forlænget i 1820’erne, og havneanlægget udvidet i 1838. Håndværkerne var den største erhvervsgruppe med skomagerlavet som langt det største lav; i 1787 blev der registreret 27 skomagere og ca. 20 skoflikkere.
I årene 1850‑70 voksede Køges befolkningstal, da folk fra landområderne søgte til byen i håbet om arbejde og et bedre liv. Herefter indtrådte en afmatning, og selv om jernbanen kom til byen i 1870, kom der først gang i erhvervslivet igen i slutningen af 1800-tallet med de store industrier som Køge Andels- Svineslagteri og Collstrops Imprægneringsanstalt, der åbnede i 1889. I 1890’erne kom de første fagforeninger i Køge, og flere industrier som fx Codan Gummi (1908) opstod. Køge fik tidligt udbygget en teknisk infrastruktur: I 1867 åbnede Køge Gasværk, i 1884 Køge Telefonstation, og i 1886 fik byen telefonforbindelse med København og Ringsted. Den 13. oktober 1891 åbnede Danmarks første offentlige elværk i Køge – et år før København. I 1892 åbnede det kommunale vandværk, og dermed fik man renere drikkevand. En anden vigtig hygiejnisk foranstaltning var at få nedgravet byens åbne kloakker, hvilket skete 1896‑1901. Og endelig kom de første wc’er, vandskyllende toiletter, til Køge i 1902. Samme år åbnede Køge Sygehus. Indbyggertallet lå i 1901 på 3.992, og dette tal var i 1921 steget til 5.971.
Køge oplevede ganske kort at have to skibsværfter fra 1918. Men Codanværftet med 200 ansatte lukkede i 1921, og Køge Værft med 440 ansatte i 1923, hvilket indledte dårlige tider med arbejdsløshed og økonomisk tilbagegang. I 1930 startede Junckers svelleproduktion, fra 1933 Junckers Savværk A/S, og i 1934 blev Kemisk Værk Køge A/S sat i drift; hermed var Køge for alvor blevet en industriby. I løbet af 1930’erne udvidedes og moderniseredes Køge Havn. Det øgede indbyggertal krævede flere boliger, og store boligområder med huse og lejligheder skød op. Særlig mange kom til i perioden 1961‑70, hvor 2.600 nye boliger byggedes, heraf halvdelen i boligområdet Ellemarken. Indbyggertallet lå i 1970 på 18.608.
Byen kunne ikke længere nøjes med de to gamle skoler Brochmands Skole og Tøxens Skole, så i 1954 åbnede Søndre Skole og i 1968 Ellemarkskolen. Endelig fik Køge eget gymnasium i 1962.
Efter 1970 var det fortsat en by med mange arbejdspladser i industrien, og de tre store industrier i 1989 var Junckers Savværk med 1.089 ansatte, Codan Gummi A/S med 750 og Kemisk Værk Køge med 550, men antallet af ansatte faldt. I 1983 kom S-toget til byen, og ved samme lejlighed fik også Ølby Lyng station (kaldet Ølby Station); i 2004 etableredes desuden færgeforbindelse til Bornholm. Handelen var som altid vigtig og livlig i Køge med to ugentlige torvedage. Køge ekspanderede og voksede efterhånden sammen med Ølby Lyng mod nordvest og Herfølge mod sydvest, og i hhv. 1976 og 1986 blev indbyggertallene herfra opgjort under Køge. I 1993 åbnede Køge Svømmeland, og Ølby Kirke blev indviet i 1997. Herfølge, som var en gammel landsby med kirke fra middelalderen, og som blev stationsby i 1908, oplevede en kraftig vækst fra 1970’erne.
Nye skoler kom til som Hastrupskolen (1971), Holmebækskolen (1979) i Herfølge og Asgård Skole i Ølby Lyng (2002). Ny politistation og arrest blev bygget ved Ringvejen, og Køge Rådhus blev udvidet i 1978. I 1989 åbnede det nye sygehus RASK, Roskilde Amts Sygehus Køge. Indbyggertallet lå i 2006 på 34.476.
